Plazmoninės savybės gali būti stebimos ir puslaidininkiuose

„Mes pademonstravome gerai matomus lokalizuotus paviršinių plazmonų rezonansus, atsirandančius iš p-tipo krūvininkų vakansijų legiruotuose puslaidininkių kvantiniuose taškuose. Ateityje tyrimas turėtų pagelbėti kietų kūnų procesų atskiruose nanokristaluose plazmoniniam registravimui ir manipuliavimui, – pasakė Berklio laboratorijos direktorius Polas Alivisatosas (Paul Alivisatos), kuris vadovavo šiam tyrimui. – Mūsų legiruotų puslaidininkių kvantiniai taškai taip pat atveria galimybę gauti stipriai surištas fotonines ir elektronines savybes, kurios būtų taikomos šviesos energijos panaudojime, netiesinėje optikoje ir kvantinės informacijos valdyme“. Alivisatoso su grupe straipsnis yra atspausdintas „Nature Materials“ žurnale.

Žodis „plazmonika“ apibrėžia reiškinį, kuris uždaro šviesą erdvėje, mažesnėje nei fotono bangos ilgis vakuume. Taip susidaro galimybė suderinti skirtingų matmenų objektus, susijusius su fotonika ir elektronika, nanomatmenų įrenginyje. Mokslininkai mano, kad plazmonika atvers kelius naujų kompiuterinių lustų sujungimams, kurie galės perduoti žymiai didesnius informacijos kiekius ir žymiai greičiau nei tai daroma dabartiniuose lustuose, sukūrimui. Taip pat keliamos idėjos, kad plazmonika sudarys galimybę sukurti mikroskopinius lęšius, leidžiančius nagrinėti nanomatmenų objektus naudojant matomą šviesą, bei didelio efektyvumo šviesą spinduliuojančius diodus ir ypatingai jautrius cheminius ir biologinius jutiklius. Tyrimai rodo, kad plazmoninės medžiagos gali būti panaudotos iškreipiant šviesą aplink objektą, padarant objektą nematomu.

Plazmoninis reiškinys buvo atrastas nanostruktūrose, sandūrose tarp tauriųjų metalų, tokių kaip auksas ar sidabras, ir dielektrikų, tokių kaip oras ar stiklas. Nukreipus elektromagnetinį lauką į tokią sandūrą, generuojamos elektronų paviršinės bangos, kurios sklinda metalo laidumo elektronais, panašiai kaip sklinda tvenkinio vandens paviršiumi bangos įmetus į tvenkinį akmenį. Lygiai taip pat, kaip elektromagnetinio lauko energiją perneša kvantuotas dalelės tipo vienetas, vadinamas fotonu, energiją elektronų paviršinėse bangose perneša kvantinis dalelės tipo vienetas, vadinamas plazmonu. Svarbiausia plazmonikos savybė yra ta, kad svyravimų dažnis tarp plazmonų ir krentančių fotonų atitinka. Šis efektas vadinamas lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonansu. Buvo įprasta manyti, kad lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonansui stebėti yra reikalingos metalo nanostruktūros, kuriose laidumo elektronai nėra stipriai susijungę su atskirais atomais ar molekulėmis. Dabartinis Berklio laboratorijos darbuotojų atliktas eksperimentas pademonstravo, kad tai nėra būtina.

„Mūsų atliktas tyrimas parodė minties poslinkį nuo plazmonikos metaluose, kadangi mes parodėme, kad, iš principo, bet kokia nanostruktūra gali pasižymėti lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonanso reiškiniu, jei tik sandūroje yra pakankamas laisvų krūvininkų, elektronų arba skylių, skaičius, – pasakė vienas iš grupės dalyvių. – Pademonstravę šį reiškinį legiruotų puslaidininkių kvantiniuose taškuose, mes praplėtėme galimą medžiagų, kurios gali būti pritaikytos plazmonikai, skaičių. Taip pat mes apjungėme dvi sritis: plazmoninių nanostruktūrų, kurios pasižymi valdomomis fotoninėmis savybėmis, bei kvantiniais taškais, kuriems būdingos valdomos elektroninės savybės“.

Eksperimento metu kvantiniai taškai buvo pagaminti iš puslaidininkio vario sulfido. Pradžioje vario sulfido nanokristalai buvo susintetinti naudojant įprastą karštos injekcijos metodą. Nors tai sukūrė nanokristalus, kurie buvo iš karto legiruoti p-tipo krūvininkais, tačiau nebuvo krūvių vakansijų bei pernešėjų skaičiaus kontrolės.

„Mes sugebėjome apeiti šiuos apribojimus vario sulfido nanokristalų sintetinimui naudodami kambario temperatūros jonų mainų metodą, – pažymėjo Prašantas Džeinas (Prashant Jain). – Tai padėjo gauti atšaldytą nanokristalą, santykinai neturintį vakansinių būsenų, ir tada mes galėjome kontroliuoti kristalo legiravimą naudodami įprastus cheminius oksidantus“.

Įvedus pakankamą kiekį elektros krūvininkų, buvo gautas lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonanso reiškinys artimųjų infraraudonųjų spindulių spektro dalyje. Tikimasi, kad plazmonikos praplėtimas puslaidininkinėmis medžiagomis bei metalų naudojimas pasiūlys dideles galimybes tolimesniam srities vystymuisi.

„Skirtingai nuo metalų, laisvų krūvininkų koncentracija gali būti lengvai kontroliuojama legiruojant medžiagą, keičiant temperatūrą bei, jei reikia, fazinį virsmą, – paaiškino Džeinas. – Vadinasi, plazmonų rezonanso dažnis ir intensyvumas yra lengvai valdomas. Tuo tarpu rezonansas metaluose priklausydamas nuo nanostruktūros parametrų, tokių kaip forma ir dydis, yra užfiksuotas“.

Džeinas numato, kad kvantiniai taškai bus integruoti ateityje plėvelėse bei fotoniniuose įrenginiuose, kuriuos bus galima valdyti pagal pageidavimą. Tuo tarpu stiprus galimas ryšys kvantiniuose taškuose tarp fotoninės ir elektroninės modų sudaro galimybę juos taikyti saulės fotovoltiniuose įrenginiuose bei dirbtinės fotosintezės procesuose.

„Fotovoltinėse ir dirbtinės fotosintezės sistemose šviesa turi būti sugerta ir perduota elektronų bei skylių generavimui, kuris vėliau naudojamas elektrai ar kurui gauti, – pasakė Džeinas. – Efektyvumui užtikrinti reikia pasiekti, kad tokiose sistemose vyktų sąveika su eksitonais. O tai galima pasiekti naudojant kvantinius taškus plazmonų rezonanso modoje“.

Stiprus elektroninių ir fotoninių modų ryšys legiruotuose kvantiniuose taškuose atsiranda dėl to fakto, kad puslaidininkiniuose kvantiniuose taškuose galima gauti kvantuotus elektroninius sužadinimus (eksitonus), o lokalizuotų paviršinių plazmonų rezonanso reiškinys padeda sugauti ar lokalizuoti tam tikro dažnio šviesą kvantiniame taške. Kadangi rezonanso dažnis gali būti kontroliuojamas keičiant legiravimo lygį, o eksitonai gali būti valdomi kvantinio apribojimo (angl. confinement), turėtų būti įmanoma sukurti legiruotus kvantinius taškus, skirtus plataus saulės spektro dažnių intervalo spinduliams sugerti.

Kvantinių taškų plazmonika galėtų būti panaudota ir ateities kvantinių ryšių bei skaičiavimo įrenginiuose. „Atskiro fotono panaudojimas kvantuotų plazmonų forma, leistų kvantinėms sistemoms perduoti informaciją greičiu, artimu šviesos greičiui. Klasikinėse sistemose informaciją perduoda elektronai, kurių greitis nėra didelis ir kurie jaučia medžiagos varžą, – paaiškino Džeinas. – Legiruoti kvantiniai taškai, pasižymintys stipriai surištais kvantiniais taškais bei plazmonų rezonanso reiškiniu, galėtų tarnauti toje pačioje nanostruktūroje kaip atskirų plazmonų šaltinis“.

Džeinas kartu su kitais Alivisatoso grupės nariais dabar tiria kvantinių taškų, pagamintų iš kitų puslaidininkinių medžiagų, panaudojimo galimybes. Tiriamas vario selenidas bei germanio teluridas, kurie taip pat pasižymi kontroliuojamu plazmoniniu ir fotoniniu rezonansu. Ypatingai įdomus yra germanio teluridas, kadangi jam būdingos savybės susijusios su fazės pasikeitimu. Šios savybės yra naudingos atminties saugojimo įrenginiuose.